CN113410379A - 基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器 - Google Patents

基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储。

Description

基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器
技术领域
本发明涉及电子存储器技术领域，尤其涉及一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器。
背景技术
现有基于自旋轨道矩(Spin Orbit Torque，SOT)的写入技术，通过在磁性隧道结MTJ自由层下方增加一条由铂、钽、钨等重金属制备的薄膜，当向重金属层通入电流时，流入重金属层的平面内电荷流通过自旋霍尔效应转换为垂直自旋电流。自旋电流随后流入覆盖的铁磁自由层，并通过自旋轨道矩驱动自由层的磁化翻转。与自旋转移矩磁性随机存储器STT-MRAM相比，自旋轨道矩磁性随机存储器SOT-MRAM产生更多具有相同自旋状态的传导电子，并将其注入到铁磁层。产生的转矩更强大，更容易翻转自由层的磁化方向，因此处理速度更快，功耗更低。在存储器的研究方面，如何降低存储器件的功耗一直是本领域技术人员的研究方向。
因此，如何提供一种磁存储器方案，能够实现更低功耗的磁性随机存储是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，能够实现更低功耗的磁性随机存储。
本发明提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；
所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；
所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。
进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。
进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。
进一步地，所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。
进一步地，所述电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层铁磁薄膜垂直磁各向异性的控制；
所述电压源还用于向所述拓扑绝缘体层施加可控电压以增强所述拓扑绝缘体层的自旋-动量锁定的表面态在导电通道的占比并减小所述自由层的铁磁薄膜磁矩翻转所需的电流。
进一步地，当所述电流源向所述拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，所述自由层的铁磁薄膜的磁矩相应地发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应；通过所述自由层与所述参考层的铁磁薄膜磁矩的相对方向确定存储器处于反平行工作状态或平行工作状态。
进一步地，所述参考层具有固定的磁化方向。
进一步地，所述自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行。
进一步地，所述反铁磁层用于增强所述参考层的磁各向异性以及磁化方向。
进一步地，所述自由层为钴铁硼、铁硼、钴铁、铁(Fe)和赫斯勒合金的其中之一或任意组合。
本发明提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；同时利用电压源向多层膜结构施加电压，结合铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；以及电控磁各向异性和拓扑绝缘体中的自旋轨道转矩效应，极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储，克服了普通自旋轨道矩磁存储器工作电流大、翻转时间长的问题，并且薄膜结构制备工艺简单，构成材料成本相对低廉，有利于相关磁性随机存储器件的生产和应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之一；
图2本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之二；
图3本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之三。
附图标记如下：
薄膜结构110、电压源120、电流源130、顶电极层101、反铁磁层102、参考层103、氧化物层104、自由层105、拓扑绝缘体层106、高介电衬底107、底电极层108。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图3描述本发明的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器。
图1为本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之一；图2本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之二；图3本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器的组成结构示意图之三。
在本发明一种具体实施方式中，本发明实施例提供一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，包括：薄膜结构110、电压源120以及电流源130；所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层101、反铁磁层102、参考层103、氧化物层104、自由层105、拓扑绝缘体层106、高介电衬底107以及底电极层108；所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。
本发明实施例通过在高介电衬底上施加可控电压调控自由层垂直磁各向异性，使其容易被自旋流翻转。同时，由于拓扑绝缘体层的拓扑材料的表面态可以被电压调控，通过选择合适的电压，增强拓扑绝缘体层的自旋轨道转矩，可以进一步减小磁矩翻转的阈值电流，降低MTJ(磁隧道结)的翻转时间，减小晶体管尺寸，增大存储密度。
具体地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。薄膜结构为多层薄膜结构，包括依次层叠的顶电极层、钉扎薄膜层(也就是反铁磁层)、铁磁薄膜层(参考层)、氧化物薄膜层(也就是氧化物层)、铁磁薄膜层(自由层)、拓扑绝缘体薄膜层(也就是拓扑绝缘体层)以及所述衬底下方的底电极层，所述各薄膜层均为纳米级厚度的薄膜，厚度可以为0.5nm-2nm。
进一步地，所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。在该多层薄膜结构中，层与层之间均应以最大面相互接触，保证各个层间的耦合效应能够发挥最大作用。
更进一步地，所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。具体地，电流源向存储器输入电流，由于拓扑绝缘体层的拓扑绝缘体薄膜具有强自旋霍尔效应，将输入电流被转化为单一方向自旋流，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转，其偏转方向依赖于输入电流的方向。基于隧穿磁阻效应，自由层与参考层铁磁薄膜磁矩的相对方向决定了存储器处于高阻(反平行)或低阻态(平行)工作状态。由此使得该磁性随机存储器结构可以通过输入电流进行存储器写入操作。电流源是向拓扑绝缘体薄膜层输入电荷流，从而在拓扑绝缘体薄膜层产生自旋流，该自旋流引发自由层铁磁薄膜中产生自旋轨道矩，进而导致自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转。
在上述实施例的基础上，电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层铁磁薄膜垂直磁各向异性的控制；所述电压源还用于向所述拓扑绝缘体层施加可控电压以增强所述拓扑绝缘体层的自旋-动量锁定的表面态在导电通道的占比并减小所述自由层的铁磁薄膜磁矩翻转所需的电流。
具体地，反铁磁层为铂锰(PtMn)、铱锰(IrMn)、钯锰(PdMn)和铁锰(FeMn)的其中之一或任意组合，厚度可以为1nm-10nm。PtMn的常用元素配比可以为Pt50Mn50、Pt20Mn80、Pt25Mn75或Pt75Mn25等材料；IrMn的常用元素配比是Ir50Mn50、Ir20Mn80或Ir25Mn75等材料；PdMn的常用元素配比是Pd50Mn50、Pd90Mn10或Pd75Mn25等材料；FeMn的常用元素配比是Fe50Mn50或Fe80Mn20等材料，上述材料中的数字代表元素的百分比。
进一步地，当所述电流源向所述拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，所述自由层的铁磁薄膜的磁矩相应地发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应；通过所述自由层与所述参考层的铁磁薄膜磁矩的相对方向确定存储器处于反平行工作状态或平行工作状态，参考层具有固定的磁化方向。自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行。反铁磁层用于增强所述参考层的磁各向异性以及磁化方向。
进一步地，所述自由层为钴铁硼、铁硼、钴铁、铁(Fe)和赫斯勒合金的其中之一或任意组合。钴铁硼的常用元素配比可以为Co20Fe60B20、Co40Fe40B20或Co60Fe20B20等材料；铁硼的常用元素配比可以为Fe80B20；钴铁的常用元素配比可以为Co50Fe50、Co20Fe80或Co80Fe20等材料；赫斯勒合金可以为是钴铁铝(Co2FeAl)或钴锰硅(Co2MnSi)等材料；上述材料中的数字代表元素的百分比。
氧化物层指的是金属氧化物等绝缘体材料形成的薄膜层，其可以为镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物和钽氧化物的其中之一或任意组合，例如氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)或偏铝酸镁(MgAl2O4)等，具体厚度可以为0.2nm-1.5nm。
还应当说明的是，该电压同时作用于高介电衬底，可以通过压电效应调控拓扑绝缘体层的表面态，进而增强自旋轨道转矩，以进一步减小自由层铁磁薄膜磁矩翻转所需的电流。
本发明实施例提供的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，利用电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；同时利用电压源向多层膜结构施加合适的电压，结合铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流。
具体地，图2示出了自由层铁磁薄膜磁矩翻转前情况，图3示出自由层铁磁薄膜磁矩翻转后的情况，如图2和图3所示，当电流源向拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，自由层铁磁薄膜的磁矩会发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应，自由层与参考层铁磁薄膜磁矩的相对方向决定了存储器处于高阻(反平行)或低阻态(平行)工作状态。
本发明实施例提供的一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，通过电流源向拓扑绝缘体薄膜层通入电流，使得自由层铁磁薄膜的磁性翻转；同时利用电压源向多层膜结构施加电压，结合铁磁磁各向异性与拓扑表面态的电压调控效应，产生自旋轨道转矩效应使得相邻自由层铁磁薄膜的磁矩发生偏转；以及电控磁各向异性和拓扑绝缘体中的自旋轨道转矩效应，极大地降低了自由层铁磁薄膜磁性翻转所需的阈值电流，从而实现超低功耗的信息存储，克服了普通自旋轨道矩磁存储器工作电流大、翻转时间长的问题，并且薄膜结构制备工艺简单，构成材料成本相对低廉，有利于相关磁性随机存储器件的生产和应用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，包括：薄膜结构、电压源以及电流源；
所述薄膜结构包括：从上到下依次叠加的顶电极层、反铁磁层、参考层、氧化物层、自由层、拓扑绝缘体层、高介电衬底以及底电极层；
所述电压源的一端与所述顶电极层连接；所述电压源的另一端与所述底电极层连接；所述电流源与所述拓扑绝缘体层连接。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任一个的厚度为纳米级。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述顶电极层、所述反铁磁层、所述参考层、所述氧化物层、所述自由层、所述拓扑绝缘体层、所述高介电衬底以及所述底电极层中任两个之间的以最大面相互接触耦合。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述电流源用于向所述拓扑绝缘体层输出正电流或负电流以驱动所述自由层进行读写操作。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述电压源用于向所述高介电衬底施加可控电压，以实现所述自由的层铁磁薄膜垂直磁各向异性的控制；
所述电压源还用于向所述拓扑绝缘体层施加可控电压以增强所述拓扑绝缘体层的自旋-动量锁定的表面态在导电通道的占比并减小所述自由层的铁磁薄膜磁矩翻转所需的电流。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
当所述电流源向所述拓扑绝缘体薄膜层输入不同方向的电流时，所述自由层的铁磁薄膜的磁矩相应地发生不同方向的翻转，基于隧穿磁阻效应；通过所述自由层与所述参考层的铁磁薄膜磁矩的相对方向确定存储器处于反平行工作状态或平行工作状态。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述参考层具有固定的磁化方向。
8.根据权利要求7所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述自由层的磁化方向与参考层的磁化方向平行或反平行。
9.根据权利要求1所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述反铁磁层用于增强所述参考层的磁各向异性以及磁化方向。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于拓扑自旋的电控磁各向异性磁性随机存储器，其特征在于，
所述自由层为钴铁硼、铁硼、钴铁、铁和赫斯勒合金的其中之一或任意组合。
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